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DNA-Strukturen

"Supercoil"-DNA

Unter "Supercoil" versteht man die Überstruktur der DNA-Spirale. Geometrisch setzt man noch eine Dimension Spiralisation auf die Spirale auf. Mit mathematischer Geometrie kann man aber nur einen Teil der Struktur verstehen. Von der Funktion lenkt diese Betrachtung eher ab. Dennoch kann man mathematisch eine Windungszahl bestimmen, die auch praktisch nachzuweisen ist (siehe unten).

Struktur und chromatographisches Verhalten

"Supercoil"- DNA kommt in jeder lebenden Zelle vor. Sie besitzt die wichtige Funktion, dafür zu sorgen, dass stets eine Mindestmenge von Basenpaaren geöffnet ist, um so den Polymerasen zu ermöglichen, den Template-Strang zum neuen Doppelstrang zu ergänzen. Dieses gilt für die Replikation und für die Transkription. Es kommt zu einem Gleichgewicht zwischen zwei so genannten Topoisomerasen. Die Topoisomerase 2 schneidet zwei Stränge und verklebt sie, wie im Abschnitt Topologie, gezeigt. Dieser Vorgang verbraucht Energie (ATP-abhängig). Die Topoisomerase 1 verbraucht keine Energie und entfernt das "Supercoil", indem sie nur einen Strang schneidet, sich um den geschlossenen Strang dreht und die Lücke wieder verschließt. So kann die DNA- und RNA-Synthese nur ablaufen, wenn ausreichend ATP vorhanden ist. Unter Hunger-Bedingungen findet keine Synthese statt. Substanzen die die Topoisomerase 2 (alter Name Gyrase) hemmen, gehören zu den stärksten Antibiotika bzw. stärksten Giften (u.a. Nalidixinsäure).

Abb.1
Gelelektrophorese mit Plasmid-DNA

Topologie des "Supercoils"

L (für engl. "linking number") ist die Windungszahl, die immer ganzzahlig ist. Im Gegensatz dazu gilt dies nicht T (für engl. "twisting number") und W (für engl. "writing number"). L gibt also an, wie oft sich die DNA überkreuzt. Bei geschlossenen DNA-Ringen bleibt L immer gleich. Ändern sich die anderen Werte, so ändert sich das dreidimensionale Erscheinungsbild der DNA, nicht aber L. T ist die helicale Windungszahl. Hier sind vollständige Umdrehungen des einen Stranges um den Duplex-Strang gemeint. Bei rechtsdrehenden Windungen ist der Wert positiv, bei linksdrehenden negativ. W ist die superhelicale Windungszahl. Sie gibt den Grad der Superhelicalität einer DNA an.

Wenn die helicale Windungszahl groß ist, wird die superhelicale Windungszahl klein, und umgekehrt.

Die Topologie einer superhelicalen DNA lässt sich anhand folgender Formel beschreiben:

L=T+W

Wirkung der Topoisomerasen

Abb.2
Visualisierung der Topoisomerasen-Wirkung

Je nachdem, ob die Topoisomerase 1 oder die Topoisomerase 2 auf eine Bande im mittleren Gel einwirkt, entstehen neue Banden in Einer- oder Zweierschritten (Weitere Erläuterungen siehe Text). Die Nummerierung ist relativ gewählt.

Im Gegensatz zur universellen Bedeutung des "Supercoils" gibt es nur wenige Experimente, die die Wirkung der Topoisomerasen überzeugend belegen. Eines dieser Experimente ist in Abb. 2 dargestellt. Man beginnt mit isolierter Plasmid-DNA in "Supercoil"-Form. Durch Einlagerung von Ethidiumbromid und anschließende Gelelektrophorese gelingt in der mittleren Spur eine Trennung in zahlreiche diskrete Fraktionen mit unterschiedlichen "linking numbers". Isoliert man nun eine dieser Fraktionen und versetzt sie mit Topoisomerase 1, so wird das "Supercoil" teilweise entspannt. Jede Fraktion entspricht dabei einer Fraktion der mittleren Spur. Nimmt man dieselbe Fraktion und inkubiert sie mit der Topoisomerase 2 (alter Name des Enzyms: Gyrase) so entsteht ein Fraktionierungsmuster, das nur jedem zweiten Isomer der mittleren Spur entspricht. Damit ist bewiesen, dass die Topoisomerase 1 doppelt soviele Schritte benötigt, um dasselbe Ergebnis wie die Topoisomerase 2 zu erreichen.

Das kann nur damit erklärt werden, dass die Topoisomerase 1 nur einen Strang schneidet, während die Topoisomerase 2 stets beide Stränge schneidet.

Hinweis
Achtung, die Wirkung der Topoisomerase 2 in der Zelle geht genau in die andere Richtung. Die Entspannung kann in diesem Experiment nur beobachtet werden, weil kein ATP zugegeben wurde. In Abwesenheit von ATP sind also beide Topoisomerasen so genannte Relaxasen.
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